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TemaEL CALOR Y LA TEMPERATURA
Prof.- Juan Sanmartín – Física
Recursos subvencionados por el…
INTERCAMBIO DEL CALOR COMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy variados, el modo en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos formas: mediante el calor y el trabajo.
Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se encuentren en desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de mayor temperatura a menor. Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en equilibrio térmico.
Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre los cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento. Es el tipo de intercambio energético que se produce en las máquinas: un coche, una grúa, una lavadora.
El calor y el trabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia de energía, el calor y el trabajo se miden en las mismas unidades que la energía: en julios (j) o kilojulios (.1Kj = 1000 j). En el caso del calor también se utiliza calorías (1 caloría= 4,18 J)
EFECTOS DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA
Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee más energía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas. Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado el equilibrio térmico.
El aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y por tanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, produce cambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc…
La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar o disminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces las distancias entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitan más se produce un aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos una disminución (contracción).
T1 T2 T1 T2
T1 > T2 T1 = T2
Q
CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO
Calor y temperatura son conceptos diferente.
El calor es energía en movimiento, es decir energía térmica transferida de un sistema que está a mayor temperatura, a otro que está a menor.
La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo o un sistema.
Las moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en movimiento. La temperatura nos informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y equivale al valor promedio de la energía de todas sus partículas.
La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta. Pero la escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es el grado centígrado (ºC) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC, es la temperatura de ebullición del agua.
DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS
El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas en desequilibrio térmico. El de mayor temperatura cede energía al otro. Por tanto, el calor es energía en transito y se mide en julios.
La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se mide en kelvin, o en grados centígrados.
El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas.Escalas termométricas: Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y
ebullición. Del agua a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a 100. Escala Fahrenheit: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. La escala
se divide en 180 partes iguales. Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la
temperatura mínima posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este punto se corresponde aproximadamente con – 273 ºC. La unidad de temperatura en el S.I. es el Kelvin (K)
ESCALAS TERMOMÉTRICAS
Kelvin
Grado Centígrado
Grado Farenheit
Temperaturas (Unidades)
ºC ºF K
-273ºC -459,4ºF 0 K
100
unid
ades
100
unid
ades
180
unid
ades
0ºC 32ºF 273 K
373 K100ºC 212ºFEn el gráfico vemos las tres escalas de temperatura.La ESCALA CENTÍGRADA toma como referencia las temperaturas de fusión y evaporación del agua en Condiciones normales y les asigna 0ºC a la de fusión y 100ºC a la de evaporación. Entre ellas existirán 100 unidades.La ESCALA FARENHEIT asigna a los anteriores valores 32ºF y 212ºF respectivamente y por lo tanto tendremos 180 unidades entre ambas temperaturas.La ESCALA ABSOLUTA O KELVIN esta basada en los problemas de valores negativos en las ecuaciones de gases y por lo tanto se busco el 0 absoluto manteniendo la escala de la CENTIGRADA que coincide con los -273ºC de esta.
TransformacionesKC º De Grados Centígrados a Kelvin se pasa añadiendo a los G.
Centígrados 273 unidades.
¡OJO! GRADOS CENTÍGRADOS, GRADOS FARENHEIT Y KELVIN, NO GRADOS KELVIN.
273º CK
Ejemplo
KCKKC
KCKKC
139273º134º134
276273º23º23
73ºC273200KºCºC200K
137ºC273410KºCºC410K
TransformacionesFC ºº La transformación se complica al tener diferente escala. Tenemos
que aplicar las siguientes formulas:
180
32º100º
FC
Ejemplo
12,2ºC180
3254100180
32ºF100ºC
ºC54ºF
29,2ºF32100
1803432100180ºCºF
ºF34ºC
77ºF321001802532
100180ºCºF
ºF25ºC
32100180ºCºF
TransformacionesKF º En este caso tenemos que pasar por Grados
Centígrados para la tranformación.
180
32º100º
FC
Ejemplo
ºF3210018032
100180ºCºFCkC
CK
KCKºC180
32100180
32ºF100ºC
KF
ºF3210018032
100180ºCºFCkC
ºFk
7725º25273298º
º298
6,248273º4,244,2412º12
6,8027º27273300º
300
32100180ºCºF
273º CK
CALOR ESPECÍFICO No todas las sustancias absorben o desprenden, en igualdad de masa, las mismas
cantidades de calor. Dependen de su naturaleza química, es decir, del tipo de partícula que la compone y de cómo se encuentran unidas. Así, para elevar 1 kelvin la temperatura de un kilogramo de hierro se necesitan 458 Julios, mientras que 1 kilogramo de alcohol requiere de 2450 Julios (estas cantidades se desprenden cuando la temperatura disminuye 1 kelvin). En base a esta propiedad característica de cada sustancia, definimos el calor específico Ce.
Definimos Calor Específico de una sustancia como la cantidad de Energía (Q) que hay que proporcionar a 1 kg. de esta para elevar su temperatura 1 kelvin. Esto se expresa de la siguiente manera
Siendo la variación de temperatura, la temperatura final (o de equilibrio) de la sustancia menos la inicial
TmQCC eespecifico
sustancia
inicialfinal TTT
CALORES ESPECÍFICOS
12
Sustancia Calor específico
Agua (líquida) 4180Hielo (Agua sólida)
2090
Vapor de agua 2090Alcohol 2450Aluminio 899Hierro 452Cobre 385Mercurio 138Plata 234Plomo 130Oro 130
TABLA DE CALORES ESPECÍFICOS DE DIFERENTES SUSTANCIAS. Las unidades son:
KelvinKilogramoJulios
KKgJ
CALOR ESPECÍFICO / ENERGÍA CALORÍFICA
13
Por lo tanto, la energía (Q) necesaria para elevar una masa (m) de una sustancia cuyo calor específico es Ce , del una temperatura inicial (Tinicial o T0) hasta una temperatura final o de equilibrio (Tf ), viene dada por la siguiente expresión.
inicialfinalesustancia TTCmQsustancia
De lo que podemos deducir que: Si Tf > T0 entonces Q > 0, el calor es absorbido por la sustancia que está a menor
temperatura y esta se eleva.
Si Tf < T0 entonces Q < 0, el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperatura y esta se reduce.
Q
Q
Si Tf > T0 entonces Q > 0, el calor es absorbido por la sustancia que está a menor temperatura y esta se eleva. Es, por ejemplo, el caso de los alimentos en un horno que aumentan su temperatura al recibir el calor de este.
Si Tf < T0 entonces Q < 0, el calor es cedido por la sustancia que está a mayor temperatura y esta se reduce. Es, por ejemplo, el caso de los alimentos en la nevera que disminuyen su temperatura al recibir el calor de este.
PROBLEMAS DE CALORIntercambio de calor
En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no existe intercambio de calor con el exterior. Y, por lo tanto, la energía queda íntegramente en el sistema
Fuente.- blogs.20minutos.es
Problema.- Calcular la temperatura final de una mezcla de 10 y 50 litros de agua cuyas temperaturas iniciales son 80ºC y 200C respectivamente.
0TTCmTTCm inicialfinale)(Hinicialfinale)(H 2H22H2
OO friaOcalienteO
KKgJC
KCT
kgmlV
e
OHcalienteOH
4180
353.º80
.10.10
0
)( 22
KKgJC
KCT
kgmlV
e
OHfriaOH
4180
293.º20
.50.50
0
)( 22
0QQ )()( 22 friaOHcalienteOH
Buscamos la temperatura final o de equilibrio
La energía (Q) que cede el agua caliente, la absorbe el agua fría y por lo tanto la suma de ambas es cero. Tengamos en cuenta que consideramos un sistema adiabático donde no hay perdidas de calor al exterior.
0612370002090001475540041800 ff TT
612370001475540020900041800 ff TT
0293418050353418010 ff TKKgJkgTKKg
Jkg
Sustituimos los datos…
Operamos…
Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado
CKTf º30303209000418006123700014755400
Problema.- En un calorímetro que contiene 400 g de agua se introduce un trozo de metal de 500 g. a una temperatura de 80ºC. La temperatura inicial del agua es de 10 ºC y la de equilibrio de la mezcla, 12 ºC. Calcula el calor especifico del metal. Se supone que el calorímetro no absorbe calor.
0TTCmTTCm inicialfinaleHinicialfinalemetal 2H2metal
OO
?353.º80
.5,0500
0
metal
metaleCKCTkggm
KKgJC
KCT
kggm
OHe
OH
4180
283.º10
.4,0.400
)(
0
2
2
0QQ2Hmetal O
Buscamos el calor específico del metal
KCTT fequilibrio 285.º12
0334434 metaleC
Sustituimos los datos…
Operamos…
Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado
028328541804,03532855,0 metaleC
metaleC343344
KKgJC
metale 3,9834
3344
Problema.- Una bañera contiene 50 litros de agua a 25 ºC. ¿Cuánto tiempo será preciso abrir el grifo de agua caliente para que la temperatura final del agua sea 40 ºC?. Temperatura del agua caliente: 80 ºC.; Caudal del grifo: 5 l/min.
0TTCmTTCm inicialfinale)(Hinicialfinale)(H 2H22H2
OO friaOcalienteO
KKgJC
KCT
m
e
OH
4180
353.º80
.?
0
2
KKgJC
KCT
kgmlV
e
OHfriaOH
4180
298.º25
.50.50
0
)( 22
0QQ )()( 22 friaOHcalienteOH
Buscamos la masa de agua que tendremos que añadir a 80º C.
KCTT fequilibrio 313.º40
031350001672002
OHm
Sustituimos los datos…
Operamos…
Y resolvemos como si fuese una ecuación de primer grado
02983134180503533134180)(2 KKg
JkgKKgJm calienteOH
.75,1875,181672003135000
2lKgm OH
.45.min3min75,3.min5.75,18 s
ll
qVt
tVq
min5)()()( lq
tiempotvolumenVcaudalq
CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIACuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante.
Gas
Líquido
Sólido
SublimacióninversaSublimación
Evaporación
Condensación
FusiónSolidificació
n Cesió
n de
Ene
rgía
Té
rmica
Abso
rció
n de
Ene
rgía
Té
rmica
CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIAMientras sucede el cambio de estado, se le pueden suministrar grandes cantidades de energía a la sustancia sin que varíe la temperatura.Esto lo explica la Teoría Cinético Molecular T.C.M., la temperatura aumenta porque aumenta la energía cinética media de las partículas que forman una sustancia.. En el caso de un sólido la temperatura aumentará con el aumento de esta energía cinética, pero al llegar al punto de fusión, los enlaces entre las partículas han de romperse, las partículas necesitan suficiente energía para vencer las fuerzas atractivas que mantenían unido a la sustancia en su estado sólido, sin que suponga un aumento de la agitación térmica y por lo tanto la Temperatura permanece constante.En el caso del punto de ebullición, las partículas que en estado líquido aún conservan enlaces que las mantienen unidas, deben romper estos enlaces para conseguir el estado gaseoso sin que aumente la energía cinética media y por lo tanto su temperatura.
Definimos calor latente de fusión Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una sustancia de estado sólido a estado líquido o viceversa (en este caso este calor será negativo).Permaneciendo la temperatura constante.
Definimos calor latente de vaporización Lf a la energía necesaria para cambiar 1 kg. de una sustancia de estado líquido a estado gaseoso o viceversa (en este caso este calor será negativo).Permaneciendo la temperatura constante.
CALORES LATENTES (kJ/kg.)Estos calores latentes están expresados en kilojulios por kilogramo.La energía térmica o calor (Q) en este caso no depende de la temperatura, y por lo tanto viene dada por la siguiente expresión:
Sustancia Lf Lv
Agua 334,4 2257Etanol 109 840Mercurio 11,3 296Plomo 24,7 858Zinc 102 1768 f/vLmQ
En el caso de que el cambio de estado sea de sólido a liquido (fusión) o viceversa (solidificación) obtendremos la siguientes expresiones
fónsolificaci
ffusión
LmQ
LmQ
En el caso de que el cambio de estado sea de líquido a gas (vaporización) o viceversa (condensación) obtendremos la siguientes expresiones
vóncondensaci
vónvaporizaci
LmQ
LmQ
PROBLEMAS DE CALORCambios de estado
En los problemas de calor, consideramos un sistema ADIABÁTICO, no existe intercambio de calor con el exterior. Y, por lo tanto, la energía queda íntegramente en el sistema
Fuente.- blogs.20minutos.es
Problema.- Si tengo 4l. de agua que acaban de hervir. ¿Qué cantidad de calor le tengo que extraer para convertirla en hielo a –18ºC?
C)18º(OHC)(0ºOH
C)(0ºOHC)(100ºOH
sólido2Q
sólido2Q
Qlíquido2
Qlíquido2
32
21
Debemos considerar todas las etapas que suceden en el proceso, ya que cada una tiene una energía térmica diferente.
La temperatura siempre en Kelvin, entonces…
55K)2(OH(273K)OH
(273K)OH(373K)OH
sólido2Q
sólido2Q
Qlíquido2
Qlíquido2
32
21
Una vez que tenemos definidas las etapas, procedemos a calcular el calor (Q) en cada una de ellas, las suma de todas nos dará la energía del proceso.
JKKkgJkgTTCmQ fhieloeOH 1504802732552090403 2
Calculamos los calores de cada etapa utilizando los calores específicos y latentes de las tablas. En el caso de los calores latentes hemos de cambiarlos signos.
Sumamos los calores para obtener la energía final
321TOTAL QQQQ
EL SIGNO NEGATIVO SIGNIFICA QUE TENEMOS QUE EXTRAER CALOR
JKKkgJkgTTCmQ faguaeOH líquida
16720003732734180401 2
JkgJkgLmQ fOHciónsolidifica 13376003344004
22
J1600803150480J1337600J1672000JQTOTAL
PROPAGACIÓN DEL CALOR
El calor se propaga por conducción, por convección y por
radiación.
La conducción del calor se produce preferentemente
cuando la energía se transmite a través de cuerpos sólidos.
Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica,
las partículas se agitan mas y transmiten esas vibraciones a
las partículas que tienen a su lado, y la temperatura va
aumentando hacia el otro extremo.
Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto
permite clasificarlas en conductoras y aislantes del calor.
Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del
calor, sin embargo la madera, el plástico o el aire no son
buenos conductores, son aislantes.
Convección
Conducción
Radiación
PROPAGACION DEL CALORLa radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es mayor cuanto mas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas de radio y de TV, las microondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el Universo, con el calor que irradian las estrellas.
PROPAGACION DEL CALOR
La convección del calor se produce en los
líquidos y en los gases porque sus moléculas se
mueven con cierta libertad. La zona que se
calienta, se dilata y al adquirir menor densidad
asciende. Su lugar es ocupado por las partículas
de las zonas mas frías. Así se producen unas
corrientes de gas o de líquido que ascienden y
otras bajan, son las corrientes de convección,
importantes para explicar los fenómenos
atmosféricos, como calienta la calefacción el
interior de una vivienda, las corrientes marinas,
como se calienta en la cocina el líquido de un
recipiente, etc…
Fin
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